Krajina a její dimenze. krajinná heterogenita, koncept měřítka (scale), hierarchická struktura krajinných komponent

Transkript

1 Krajina a její dimenze krajinná heterogenita, koncept měřítka (scale), hierarchická struktura krajinných komponent 29

2 Krajinná heterogenita Heterogenita je vlastnost, kterou se označuje skutečnost, že určitý celek je složen z rozdílných částí (různorodost) různé typy biotopů nebo land coveru v krajině 30

3 SCALE Měřítko, škála 31

4 Měřítko v krajinné ekologii - měřítko je zásadním konceptem v přírodních vědách Otázka prostorového uspořádání a měřítka je centrální otázkou v ekologii, spojující populační biologii s ekosystémovou, a základní ekologii s aplikovanou. Je nutné najít způsoby kvantifikace prostorového uspořádání v prostoru a čase, abychom pochopili změny prostorového uspořádání v různých měřítcích a jeho příčiny a následky. Simon Levin (1992), Princeton University 32

5 Měřítko v krajinné ekologii Proč je tak zásadní??? 1) Problémy životního prostředí a biosféry se projevují na stále větších územích - kyselé deště, globální klimatické změny, fragmentace habitatů, ztráta biodiverzity - extrapolace výsledků získaných na základě malých měřítek není vždy možná - výsledky studií prováděných v malém měřítku se často výrazně liší od výsledků získaných ve velkém měřítku (a naopak) - důvodem nekonzistentních výsledků podobných studií může být právě rozdílné měřítko! 2) Hierarchická struktura v přírodě - Allen & Starr (1982) hierarchy theory - Delcourt et al. (1983) pozitivní korelace prostorových a časových měřítek 33

6 34

7 Terminologie MĚŘÍTKO (SCALE) popisuje časoprostorovou dimenze objektu či procesu ÚROVEŇ ORGANIZACE (LEVEL OF ORGANIZATION) popisuje umístění v rámci biotické hierarchie (organismus <-> populace <-> společenstvo <-> biom) GRAIN nejnižší možná úroveň prostorového rozlišení v daném datasetu EXTENT velikost studovaného území 35

8 36

9 1 x 1 m 4 x 4 m 10 x 10 m 20 x 20 m 30 x 30 m 37

10 38

11 GRAIN a EXTENT: jsou korelovány udávají spodní a horní hranice rozlišení dat Pokud o nějakém jevu prohlásíme, že je scale-dependent (závislý na měřítku), znamená to, že se mění v závislosti na nejmenší jednotce dat (grain) nebo velikosti námi studované oblasti (extent). 39

12 40

13 ROZDÍLNÉ CHÁPÁNÍ MĚŘÍTKA Ekologie versus geografie GEOGRAFIE kartografické měřítko se vyjadřuje jako poměr vzdálenosti na mapě ke skutečné vzdálenosti na zemském povrchu (např. 1:10000 nebo 1:100000) velké měřítko = velmi podrobné rozlišení (např. 1:500) = velká mapa malého území EKOLOGIE v ekologii je použití těchto termínů zpravidla zcela opačné! velké měřítko = velká území, menší rozlišení a méně detailů malé měřítko = malé oblasti, podrobné rozlišení, detailní malé měřítko = hrubé rozlišení (např. 1:250000) = mapa rozlehlé oblasti bez detailů 41

14 MALÉ MĚŘÍTKO 1: VELKÉ MĚŘÍTKO 1:

15 ABSOLUTE SCALE vs. RELATIVE SCALE ABSOLUTE SCALE = absolutní měřítko = skutečná vzdálenost, čas, velikost území RELATIVE SCALE = relativní měřítko = relativní vzdálenost závislá na energii, jež musí daný organismus vydat, aby se dostal z bodu A do bodu B A B 43

16 PROČ JE MĚŘÍTKO DŮLEŽITÉ? měníme-li měřítko, mění se vztah mezi prostorovým uspořádáním a ekologickými procesy Struktura vegetace Topografie a klima Biotické procesy (kompetice, herbivorie)

17 Eriksonova klasická mapa distribuce Clematis fremontii (plamének) v různých měřítcích. Na všech škálách je distribuce ploškovitá. 45

18 PROČ JE MĚŘÍTKO DŮLEŽITÉ? měníme-li měřítko, otevřené systémy se mohou měnit v uzavřené a naopak Uzavřený systém Ostrovní systém je otevřený atmosférickým procesům Lokální ploška je otevřená prostřednictvím dispersalu Otevřený systém Ostrovní populace je uzavřená vůči emigraci/imigraci 46

19 Predátor Predátor PROČ JE MĚŘÍTKO DŮLEŽITÉ? měníme-li měřítko, mohou se měnit statistické vztahy (závislosti) Local Scale (4 ha plots) Regional Scale (1000 s of ha) Kořist Kořist 47

20 PROČ JE MĚŘÍTKO DŮLEŽITÉ? měníme-li měřítko, mohou se měnit statistické vztahy (závislosti) VARIABILITA KLESÁ S ROSTOUCÍM PROSTOROVÝM MĚŘÍTKEM ALE VARIABILITA ROSTE S ROSTOUCÍM ČASOVÝM MĚŘÍTKEM 48

21 PROČ JE MĚŘÍTKO DŮLEŽITÉ? měníme-li měřítko, mohou se měnit statistické vztahy (závislosti) 49

22 PROČ JE MĚŘÍTKO DŮLEŽITÉ? měníme-li měřítko, mohou se měnit statistické vztahy (závislosti) 50

23 SCALE PROBLEMS PROBLÉMY MĚŘÍTKA Scale coverage problem - zmapování povrchu Země při jeho obrovském rozsahu představuje obrovskou výzvu Scale linkage problem - přímým následkem scale coverage problému je skutečnost, že terénní práce jsou často omezeny na relativně malá území -> problém s propojením fine-scale dat s velkými územími Scale standardization problem - schopnost srovnávat data z různých oblastí, extrapolovat data z jedné oblasti na druhou či kombinovat různé typy dat pro jednu oblast je významně ovlivňována rozdíly ve způsobu sběru dat - metody kombinující různé typy dat jsou stále předmětem výzkumu 51

24 SCALE CONCEPT & HIERARCHY THEORY KONCEPT MĚŘÍTKA & HIERARCHICKÁ TEORIE - hierarchie systém vnitřních vazeb (propojení), ve kterém vyšší úrovně omezují různým způsobem úrovně nižší ARTHUR KOESTLER Teorie otevřených hierarchických systémů (1967) Holon - základní jednotka v biologických a sociálních systémech. holos = celek, on = část Holon je tedy možné chápat jako systém skládající se ze subsystémů a zároveň je součástí nějakého většího celku. Př: buňka se skládá mj. z jádra a plazmy a současně je částí většího organizačního celku např. tkáně. 52

25 SCALE CONCEPT & HIERARCHY THEORY KONCEPT MĚŘÍTKA & HIERARCHICKÁ TEORIE Tři úrovně hierarchie 55

28 SCALE CONCEPT & HIERARCHY THEORY KONCEPT MĚŘÍTKA & HIERARCHICKÁ TEORIE Proměnné ovlivňující proces se mohou (ale nemusí) s měřítkem měnit, ovšem při změně prostorového či časového měřítka často dochází ke změně relativní důležitosti dané proměnné. Příklad 1: Výpočet rychlosti dekompozice rostlinného materiálu v lokálním měřítku vyžaduje znalost místního mikroklimatu, různorodosti daného prostředí, charakter rostlinného materiálu (obsah ligninu), atd. Zatímco výpočet rychlosti dekompozice v regionálním či globálním měřítku lze provést pouze na základě údajů o teplotě a srážkách. Příklad 2: Studie prováděné na západě USA na lokální úrovni ukázaly, že semenáčky dubu vykazovaly sníženou mortalitu v oblastech s vyšším množstvím srážek, ovšem na regionální úrovni mortalita klesala v sušších oblastech. 58

29 SCALE CONCEPT & HIERARCHY THEORY KONCEPT MĚŘÍTKA & HIERARCHICKÁ TEORIE Příklad 3: změny v dynamice organické složky půdy v závislosti na změně časového měřítka: a) během pozorování v řádech dnů dochází k rapidním změnám v obsahu organického odpadu v důsledku činnosti půdních organismů a větru, b) pozorování v řádu let odhaluje sezónní fluktuace c) a pozorování přesahující několik století ukazuje na dlouhodobou akumulaci (s oscilacemi) dokládající dlouhodobou sukcesi. 59

30 SCALE CONCEPT & HIERARCHY THEORY KONCEPT MĚŘÍTKA & HIERARCHICKÁ TEORIE Různá měřítka, ve kterých probíhají procesy, mají za následek různé prostorové uspořádání Příklad : procesy ovlivňující v dlouhodobém měřítku prostorové uspořádání lesního porostu: a) geomorfologické procesy ovlivňující složení půdního substrátu a následně druhové složení lesa b) požáry nebo epidemie patogenu ovlivňující prostorové uspořádání lesa v různých sukcesních fázích c) Individuální mortalita stromů způsobující náhodně lokalizované mezery ve stromovém zápoji 60

31 EXTRAPOLACE Obtížnost extrapolace tkví ve: - správné identifikaci časoprostorové heterogenity dat z detailního měřítka - následné správné integraci této heterogenity do širokého měřítka ZPŮSOBY EXTRAPOLACE: 1) LUMPING - vynásobení měření/dat z malého měřítka - např. množství biomasy na 10,000 ha lesa odhadneme vynásobením množství biomasy naměřené na 1 ha * 10,000 - tento přístup předpokládá, že vlastnosti systému se nemění s měřítkem - nebere v potaz časoprostorovou variabilitu procesu a ignoruje nelineární změny proměnné, ke kterým dochází při změně měřítka 2) DIRECT EXTRAPOLATION přímá extrapolace - např. místo předpokladu konstantní biomasy na území 10,000 ha lesa připustíme variabilitu způsobenou různým věkovým a druhovým složením lesa a zahrneme ji do našich výpočtů!!! chyba měření (variance) při extrapolaci je nutné brát v potaz varianci v původních datech a převést ji rovněž do širšího měřítka 61

32 SCALE CONCEPT & HIERARCHY THEORY KONCEPT MĚŘÍTKA & HIERARCHICKÁ TEORIE Hierarchická teorie proto říká, že: 1) naše pozornost se vždy musí upínat na měřítko, ve kterém se námi studovaný proces odehrává 2) neexistuje jedno univerzální měřítko pro studium krajiny či ekosystému 3) pokud změníme měřítko, procesy a vztahy jež pozorujeme se mohou zásadně změnit 62

33 DOMÁCÍ CVIČENÍ: Změna měřítka a její důsledky Podívejme se na příklad vztahu predátor/kořist dvou druhů hmyzu, který žije v opadance. Oba druhy byly vzorkovány v opadance na lesním stanovišti ve čtvercích o velikosti 0,1 m 2. V prvním případě byly tyto čtverce od sebe vzdáleny 10 m na celkové délce 100 m. Počet jedinců predátora a kořisti nalezených v jednotlivých vzorcích je uveden v Tabulce 1. V druhém případě jsme změnili měřítko vzorkování a sbírali data každých 2000 m na celkové délce m (viz Tabulka 2). V širším měřítku vzorkujeme v různých biotopech napříč krajinou v zemědělsky obděláváných plochách, loukách a dalších oblastech zbavených opadanky. Pro každé měřítko vytvořte graf závislosti mezi predátorem a kořistí. Co pozorujete? Liší se tyto vztahy v závislosti na měřítku? Jak můžete tyto vztahy vysvětlit? Tab. 1: Abundance hmyzu vzorkovaného ve čtvercích o velikosti 0,1 m 2 v lesní opadance v 10-ti metrových intervalech na celkové délce 100 m. Metry Počet predátorů Počet kořisti Tab. 2: Abundance hmyzu vzorkovaného ve čtvercích o velikosti 0,1 m 2 umístěných každých 2000 m na transektu napříč krajinou o celkové délce m. Metry Počet predátorů Počet kořisti